Leendert Louis Dorst

Publications on Geodesy 69
Delft, 2009. 224 pagina's. ISBN: 978 90 6132 311 2.

Abstract

Safe nautical charts require a carefully designed bathymetric survey policy, especially in shallow sandy seas that potentially have dynamic sea floor patterns. Bathymetric resurveying at sea is a costly process with limited resources, though. A pattern on the sea floor known as tidal sand waves is clearly present in bathymetric surveys, endangering navigation in the Southern North Sea because of the potential dynamics of this pattern. An important factor in an efficient resurvey policy is the type and size of sea floor dynamics. The uncertainties of measurement and interpolation associated with the depth values enable the statistical processing of a time series of surveys, using deformation analysis. Currently, there is no procedure available that satisfies the Royal Netherlands Navy requirements. Therefore, a deformation analysis procedure is designed, implemented and tested in such a way that the procedure works on bathymetric data and satisfies the Royal Netherlands Navy requirements. Also, it is necessary to develop a procedure that translates the results into changes of the resurvey policy, taking into account their confidence intervals.

To describe the sea floor statistically, we assume the sea floor to consist of a spatial trend function (or characterization) and a residual function (or dispersion). Such a description is called a representation. The covariances between positions are expressed in a covariance function, based on the residual function. The covariance function is used by Kriging, an interpolation procedure that propagates the variances and covariances of the data points to variances of the interpolated values. This approach is used widely for spatial analyses, like the interpolation of a bathymetric data set.

The method that we propose uses Kriging to produce a time series of grids of depth values and their variances. Subsequently, it uses deformation analysis, a statistical procedure based on testing theory. Our application of deformation analysis is particularly aimed at the detection of dynamics in areas with tidal sand waves, resulting in parameter estimates for the sea floor dynamics, and their uncertainty. We apply the method to sea floor representations both with and without a sand wave pattern. A test scenario is set up, consisting of a survey of an existing area in the Southern North Sea, for which dynamics are simulated. The results show that the proposed method detects different types of sea floor dynamics well, leading to satisfactory estimates of the corresponding parameters.

We show results for the anchorage area Maas West near the Port of Rotterdam, the Netherlands first. The area is divided into 18 subareas. The results show that a sand wave pattern is detected for most of the subareas, and a shore ward migration is detected for a majority of them. The estimated migration rates of the sand waves are up to 7.5 m/yr, with a 95% confidence interval that depends on the regularity of the pattern. The results are in confirmation with previously observed migration rates for the Southern North Sea, and with an idealized process-based model.

Thereafter, we analyze several other areas for which a time series of surveys is available in the bathymetric archives of the Netherlands Hydrographic Service, to study the spatial variations in sea floor dynamics. We present results for several sand wave areas and a single flat area. In some of those areas, dredging takes place, to guarantee minimum depths. The results indicate sand wave migration in areas close to the coast, and bed level changes of the order of decimeters. The dominant wavelength of the sand waves varies. We compare our results to literature of the same sand wave areas, in which we find similar migration rates, and different wavelengths.

By formulating four indicators, recommendations are made for the resurvey policy on the Belgian and Netherlands Continental Shelf. These indicators follow from the estimates for sea floor dynamics. We present a concept for the shallowest likely depth surface, on which we base two of the indicators. The other two indicators act as a warning: they quantify the potentially missed dynamics, which makes the procedure more robust in case of complicated morphology. We show clear differences in recommended resurvey frequency between the five analyzed regions.

We conclude that the designed method is able to use a time series of bathymetric surveys for the estimation of sea floor dynamics in a satisfactory way. Those dynamics may be present on the scale of the sea floor, it may be a local effect, or it may be due to a tidal sand wave pattern. Also, the results are successfully reduced to a set of four indicators, used to improve a resurvey policy. Based on these conclusions, we formulate recommendations on the extrapolation of the results in space and time, on potential adaptations to the designed procedure, and on implementation of the procedure.

Contents

• Preface  11
• Summary  13
• Samenvatting  15

• Introduction  17
• Bathymetric applications of Geostatistics  27
• Estimating sea floor dynamics  57
• The analysis of migrating tidal sand waves  101
• Spatial variations in sea floor dynamics  127
• Application to the resurvey policy  165
• Conclusions and recommendations  195

• Bibliography  203
• Notation  213
• About the author  219

Samenvatting

Veilige zeekaarten vereisen een nauwkeurig vormgegeven bathymetrisch opnemingsbeleid, met name in ondiepe, zandige zeeën die mogelijk dynamische zeebodempatronen vertonen. Bathymetrisch opnemen op zee is echter een kostbaar proces, waarvoor beperkte middelen beschikbaar zijn. Het gevaarlijkste patroon voor navigatie in de Zuidelijke Noordzee zijn de getijdezandgolven, die duidelijk aanwezig zijn in bathymetrische opnemingen, en die potentieel dynamisch gedrag vertonen. Type en grootte van zeebodemdynamiek vormen daarmee een belangrijke factor in een efficiënt opnemingsbeleidsplan. Het verbinden van meet- en interpolatieonzekerheden aan dieptewaarden maakt het mogelijk om een tijdsserie opnemingen statistisch te verwerken met deformatieanalyse. Omdat er op dit moment geen procedure beschikbaar is die aan de eisen van de Koninklijke Marine voldoet, wordt een procedure voor deformatieanalyse ontworpen, geïmplementeerd en beproefd, die afgestemd is op bathymetrische data en die aan deze eisen voldoet. Ook is het nodig om een procedure te ontwerpen om de resultaten in het opnemingsbeleidsplan op te nemen die gebruik maakt van de betrouwbaarheidsintervallen van de resultaten.

Een statistische zeebodembeschrijving veronderstelt dat deze bestaat uit een ruimtelijke trendfunctie (of karakterisering) en een restfunctie (of dispersie). Zo'n beschrijving wordt een representatie genoemd. De ruimtelijke covarianties worden uitgedrukt in een covariantiefunctie, gebaseerd op de restfunctie. Een toepassing van de covariantiefunctie is Krigen, een interpolatieprocedure die de varianties en covarianties van de data voortplanten naar varianties van de geïnterpolateerde waarden. Deze benadering wordt algemeen gebruikt voor ruimtelijke analyses, zoals de interpolatie van een bathymetrische dataset.

De voorgestelde methode gebruikt Krigen om een tijdsserie met grids van dieptewaarden en hun varianties te produceren. Vervolgens gebruikt de methode deformatieanalyse, een statistische procedure gebaseerd op toetsingstheorie. De toepassing van deformatieanalyse is in het bijzonder gericht op het vinden van dynamiek in gebieden met getijdezandgolven, resulterend in parameterschattingen voor zeebodemdynamiek en hun onzekerheid. De methode wordt toegepast op zeebodemrepresentaties met en zonder zandgolfpatroon. We testen een scenario dat bestaat uit een grid met werkelijke diepten in de Zuidelijke Noordzee, en gesimuleerde dynamiek. De resultaten tonen aan dat de voorgestelde methode de diverse typen zeebodemdynamiek goed schat, waarbij de schattingen voor de corresponderende parameters naar tevredenheid zijn.

Eerst presenteren we resultaten voor het ankergebied Maas West nabij de haven van Rotterdam. Het gebied is daartoe opgedeeld in 18 deelgebieden. De resultaten tonen aan dat een zandgolfpatroon gedetecteerd wordt voor de meeste deelgebieden, en voor de meeste van deze deelgebieden wordt een kustwaartse migratie gevonden. De schattingen voor de snelheid van de zandgolfmigratie lopen op tot 7.5 m/jr, met een 95% betrouwbaarheidsinterval dat afhangt van de regelmaat van het patroon. De resultaten bevestigen eerder waargenomen migratiesnelheden voor de Zuidelijke Noordzee, en een geïdealiseerd procesgebaseerd model.

Vervolgens analyseren we een aantal andere gebieden waarvoor een tijdsserie opnemingen beschikbaar is in de bathymetrische archieven van de Dienst der Hydrografie, zodat de ruimtelijke variatie in zeebodemdynamiek duidelijk wordt. We presenteren resultaten voor een aantal gebieden met zandgolven, en voor één vlak gebied. Sommige van de gebieden worden door baggeren op diepte gehouden. De resultaten geven aan dat zandgolven migreren in gebieden nabij de kust, en dat diepteveranderingen plaatsvinden in de orde van grootte van decimeters. De dominante golflengte van de zandgolven varieert. We vergelijken de resultaten met de bestaande literatuur over deze zandgolfgebieden, en vinden vergelijkbare migratiesnelheden en afwijkende golflengten.

Het formuleren van vier indicatoren maakt het mogelijk om aanbevelingen te doen voor het opnemingsbeleidsplan voor het Nederlands en Belgisch Continentaal Plat. De indicatoren volgen uit de schattingen voor zeebodemdynamiek. We presenteren het concept van het ondiepste te verwachten diepteoppervlak, waar we twee indicatoren op baseren. De beide andere indicatoren hebben een waarschuwende functie: ze kwantificeren de potentieel gemiste dynamiek, en maken daarmee de procedure robuuster voor gecompliceerde morfologie. We geven duidelijke verschillen aan in aanbevolen heropnemingsfrequentie tussen de vijf geanalyseerde regio's.

We concluderen dat de ontworpen methode in staat is naar tevredenheid een tijdsserie bathymetrische opnemingen te gebruiken voor het schatten van zeebodemdynamiek. Zulke dynamiek kan aanwezig zijn op de schaal van de zeebodem, een lokaal effect, of veroorzaakt door een patroon getijzandgolven. Ook zijn de resultaten naar tevredenheid verder gereduceerd tot vier indicatoren voor de verbetering van het opnemingsbeleidsplan. Op basis van deze conclusies formuleren we aanbevelingen om de resultaten te extrapoleren in ruimte en tijd, om aanpassingen te overwegen in de ontworpen procedure, en voor de implementatie van de procedure.